硅衬底GaN半导体器件外延材料结构制造技术

本发明专利技术涉及半导体器件技术领域，针对硅衬底GaN半导体器件的电流崩塌问题，本发明专利技术公开了一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；本发明专利技术所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构包括不同材料层,并且对不同材料层的厚度、所含物质进行了进一步控制，针对造成电流崩塌的每一个环节提供了解决办法，从而能够有效降低或排除硅衬底GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下的电流崩塌问题，使硅衬底GaN半导体器件的可靠性大幅度提高，以达到终端产品要求。

【技术实现步骤摘要】
硅衬底GaN半导体器件外延材料结构
本专利技术涉及半导体器件
，具体为一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构。
技术介绍
电流崩塌是硅衬底GaN半导体器件致命的历史性问题。电流崩塌是在硅衬底GaN半导体器件在电路应用中电流突然大幅下降同时动态导通电阻突然大幅增加的现象。现有硅衬底GaN外延材料不能有效解决硅衬底GaN器件电流崩塌问题,极大的限制了硅衬底GaN半导体器件的研发与应用。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构。为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是：一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；所述Si基板衬底层为单晶硅衬底层，当GaN半导体器件为功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，Si基板衬底层的电阻值为0.001Ω·cm-10Ω·cm，厚度为100μm-2000μm，Si基板衬底层中受主杂质成分原子含量≤1E16个/cm3，当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层采用N型半导体材料,Si基板衬底层的电阻值≥5000Ω·cm，厚度为500um-1000um，Si基板衬底层中受主杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；所述AlN形核层的厚度为1nm-10μm，所述AlN形核层中受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；所述AlGaN过渡层的厚度为0.01μm-10μm,所述AlGaN过渡层中Al的原子百分含量在10％-90％,受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.1μm-1000μm且由多个AlNx/GaNx超级结构层叠而成，每个AlNx/GaNx超级结构由一层AlNx结构和一层GaNx结构构成，其中AlNx的厚度为1-10nm,GaNx的厚度为1-50nm，AlNx中Al的原子百分含量为10％-100％，GaNx中Ga的原子百分含量在50％-100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；所述AlGaN约束层的厚度为1nm-100μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为1-100％，受主杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；所述GaN通道层的厚度为1nm-1000nm，所述GaN通道层中受主杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；所述AlGaN障碍层的厚度为1nm-100nm，所述AlGaN障碍层中Al的原子百分含量在为5-100％，受主杂质成分原子含量≤3E16个/cm3，所述受主杂质成分由生长气体带入；所述SiNx钝化层实时沉积在AlGaN障碍层上，且与AlGaN障碍层的初始的连接界面处形成连贯的原子链接；GaN半导体器件的源极和漏极设于AlGaN障碍层之上，栅极金属和漂移区域设于SiNx钝化层之上，位移漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为1nm-10000nm。作为改进，位移漂移区域下方的SiNx钝化层中还插入有AlN插入层，所述AlN插入层的厚度为1nm-1nm。作为优选，当GaN半导体器件为650V功率器件时，Si基板衬底层的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，厚度为600μm-1500μm；当GaN半导体器件为1200V功率器件时，Si基板衬底层的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，Si基板衬底层厚度为1000μm-2000μm；当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层的电阻值为10000Ω·cm-50000Ω·cm。作为改进，所述Si基板衬底层中，从上表面起计算，深度为50um-100um的区域内，受主杂质成份原子含量为1E19个/cm3-1E21个/cm3。作为优选，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为1μm-100μm，每个AlNx/GaNx超级结构中AlNx的厚度为4nm-6nm,GaNx的厚度为10nm-30nm，AlNx中Al的原子百分含量为80％-100％，GaNx中Ga的原子百分含量在80％-100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，受主杂质成分原子含量为5E17个/cm3-5E20个/cm3。作为优选，当GaN半导体器件为射频器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.2μm-2μm，当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.5μm-5μm，当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为2μm-7μm。作为优选，所述AlGaN约束层的厚度为0.1μm-10μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为5-100％。作为优选，当GaN半导体器件为射频器件时，所述AlGaN约束层的厚度为0.2μm-1μm，当GaN半导体器件为650VGaN功率器件时，所述AlGaN约束层的厚度为0.5μm-2μm，当GaN半导体器件为1200VGaN功率器件时，所述AlGaN约束层的厚度为1μm-6μm。作为优选，位于漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为20-100nm。作为优选，当GaN半导体器件为GaN射频器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为0.5nm-10nm；当GaN半导体器件为650V或者1200VGaN功率器件时，位于栅极金属下方的SiNx钝化层厚度为10nm-50nm.从以上描述可以看出，本专利技术具备以下优点：本专利技术所述的硅衬底GaN半导体外延材料结构，能够有效降低或排除硅衬底GaN半导体器件在室温和高温(>25℃)下的电流崩塌问题,使硅衬底GaN半导体器件的可靠性大幅度提高，以达到终端产品要求，使利用硅衬底GaN半导体器件研发设计相关整机产品(例如开关电源产品和能源转换产品等)成为可能附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术各层碳杂质成分的分布示意图；图3是本专利技术具有AlN插入层的结构示意图；图4是本专利技术Si基板衬底层碳杂质成分的分布示意图；图5是基于本专利技术设计的650V功率器件在150℃下的动态导通电阻与现有其他650V功率器件在150℃下的动态导通电阻对比示意图。具体实施方式结合图1至图5，详细说明本专利技术的一个具体实施例，但不对本专利技术的权利要求做任何限定。如图1和图2所示，一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；其中：(1)Si基板衬底层为单晶硅衬底层。根据GaN半导体器件的具体类型，Si基板衬底层进行相应设计。具体地：a)当GaN半导体器件为功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，其电阻值为0.001Ω·cm-10Ω·cm，典型的电阻值为0.01Ω·cm-1.0Ω·cm，理想的电阻值为0.05Ω·cm-0.5Ω·cm，Si基板衬底层的厚度为100μm-2000μm，典型的厚度为600μm-1500μm，Si基板衬底层中受主杂质成分原子含量≤1E16个/cm3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；所述Si基板衬底层为单晶硅衬底层，当GaN半导体器件为功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，Si基板衬底层的电阻值为0.001Ω·cm‑10Ω·cm，厚度为100μm‑2000μm，Si基板衬底层中受主杂质成分原子含量≤1E16个/cm3，当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层采用N型半导体材料,Si基板衬底层的电阻值≥5000Ω·cm，厚度为500um‑1000um，Si基板衬底层中受主杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；所述AlN形核层的厚度为1nm‑10μm，所述AlN形核层中受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3‑5E22个/cm3；所述AlGaN过渡层的厚度为0.01μm‑10μm,所述AlGaN过渡层中Al的原子百分含量在10％‑90％,受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3‑5E22个/cm3；所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.1μm‑1000μm且由多个AlNx/GaNx超级结构层叠而成，每个AlNx/GaNx超级结构由一层AlNx结构和一层GaNx结构构成，其中AlNx的厚度为1‑10nm,GaNx的厚度为1‑50nm，AlNx中Al的原子百分含量为10％‑100％，GaNx中Ga的原子百分含量在50％‑100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3‑5E22个/cm3；所述AlGaN约束层的厚度为1nm‑100μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为1‑100％，受主杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；所述GaN通道层的厚度为1nm‑1000nm，所述GaN通道层中受主杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；所述AlGaN障碍层的厚度为1nm‑100nm，所述AlGaN障碍层中Al的原子百分含量在为5‑100％，受主杂质成分原子含量≤3E16个/cm3，所述受主杂质成分由生长气体带入；所述SiNx钝化层实时沉积在AlGaN障碍层上，且与AlGaN障碍层的初始的连接界面处形成连贯的原子链接；GaN半导体器件的源极和漏极设于AlGaN障碍层之上，栅极金属和漂移区域设于SiNx钝化层之上，位移漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为1nm‑10000nm。...

【技术特征摘要】
1.一种硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：包括自下而上逐层分布的Si基板衬底层、AlN形核层、AlGaN过渡层、AlNx/GaNx超级结构层、AlGaN约束层、GaN通道层、AlGaN障碍层和SiNx钝化层；所述Si基板衬底层为单晶硅衬底层，当GaN半导体器件为功率器件时，Si基板衬底层采用P型半导体材料，Si基板衬底层的电阻值为0.001Ω·cm-10Ω·cm，厚度为100μm-2000μm，Si基板衬底层中受主杂质成分原子含量≤1E16个/cm3，当GaN半导体器件为射频器件时，Si基板衬底层采用N型半导体材料,Si基板衬底层的电阻值≥5000Ω·cm，厚度为500um-1000um，Si基板衬底层中受主杂质成分原子含量≤1E16个/cm3；所述AlN形核层的厚度为1nm-10μm，所述AlN形核层中受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；所述AlGaN过渡层的厚度为0.01μm-10μm,所述AlGaN过渡层中Al的原子百分含量在10％-90％,受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；所述AlNx/GaNx超级结构层的厚度为0.1μm-1000μm且由多个AlNx/GaNx超级结构层叠而成，每个AlNx/GaNx超级结构由一层AlNx结构和一层GaNx结构构成，其中AlNx的厚度为1-10nm,GaNx的厚度为1-50nm，AlNx中Al的原子百分含量为10％-100％，GaNx中Ga的原子百分含量在50％-100％，所述AlNx/GaNx超级结构层中，受主杂质成分原子含量为1E17个/cm3-5E22个/cm3；所述AlGaN约束层的厚度为1nm-100μm，所述AlGaN约束层中Al的原子百分含量为1-100％，受主杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；所述GaN通道层的厚度为1nm-1000nm，所述GaN通道层中受主杂质成分的原子含量≤3E16个/cm3；所述AlGaN障碍层的厚度为1nm-100nm，所述AlGaN障碍层中Al的原子百分含量在为5-100％，受主杂质成分原子含量≤3E16个/cm3，所述受主杂质成分由生长气体带入；所述SiNx钝化层实时沉积在AlGaN障碍层上，且与AlGaN障碍层的初始的连接界面处形成连贯的原子链接；GaN半导体器件的源极和漏极设于AlGaN障碍层之上，栅极金属和漂移区域设于SiNx钝化层之上，位移漂移区域下方的SiNx钝化层厚度为1nm-10000nm。2.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，其特征在于：位移漂移区域下方的SiNx钝化层中还插入有AlN插入层，所述AlN插入层的厚度为1nm-1nm。3.根据权利要求1所述的硅衬底GaN半导体器件外延材料结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘查理，
申请(专利权)人：刘查理，
类型：发明
国别省市：美国,US